Vũ trụ vừa mang đến một bước đột phá hiếm có cho giới khoa học – những người từ lâu theo đuổi một trong những hiệu ứng khó quan sát nhất trong vũ trụ.

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Science Advances, các nhà thiên văn học thông báo đã lần đầu tiên phát hiện trực tiếp hiện tượng méo xoáy của không – thời gian do một hố đen quay nhanh tạo ra.

Lần đầu quan sát trực tiếp hiện tượng “kéo khung” của hố đen

Hiện tượng này được gọi là tiền tiến Lense–Thirring, hay còn gọi là hiệu ứng kéo khung (frame-dragging). Nó mô tả cách một hố đen đang quay làm xoắn không – thời gian xung quanh, kéo theo vật chất lân cận và khiến quỹ đạo của sao và khí chuyển động chao đảo theo thời gian.

Nhóm nghiên cứu do Đài Thiên văn Quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, với sự hỗ trợ của Đại học Cardiff (Anh), đã tập trung vào một sự kiện có tên AT2020afhd – một hiện tượng gián đoạn thủy triều (Tidal Disruption Event – TDE), xảy ra khi một ngôi sao tiến quá gần một hố đen siêu nặng và bị xé toạc.

Ngôi sao bị xé nát hé lộ đĩa quay và các tia vật chất

Khi ngôi sao bị phá hủy, các mảnh vụn của nó tạo thành một đĩa vật chất quay rất nhanh quanh hố đen. Đồng thời, những tia vật chất cực mạnh được phóng ra ngoài với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.

Thông qua việc phân tích các tín hiệu lặp lại trong dữ liệu tia X và sóng vô tuyến từ sự kiện này, các nhà khoa học phát hiện rằng cả đĩa vật chất lẫn các tia phun đều cùng chao đảo theo nhịp. Chuyển động đồng bộ này lặp lại khoảng mỗi 20 ngày, tạo nên dấu hiệu rõ ràng của hiện tượng không – thời gian bị xoắn.

Dự đoán hơn một thế kỷ trước được xác nhận

Ý tưởng về hiệu ứng này được Einstein đề xuất lần đầu vào năm 1913 và sau đó được Josef Lense cùng Hans Thirring mô tả toán học vào năm 1918. Những quan sát mới đã xác nhận một dự đoán cốt lõi của thuyết tương đối rộng, đồng thời mở ra cách tiếp cận mới để nghiên cứu tốc độ quay của hố đen, cơ chế vật chất rơi vào hố đen và sự hình thành các tia vật chất năng lượng cao.

Tiến sĩ Cosimo Inserra, giảng viên cao cấp tại Khoa Vật lý và Thiên văn học của Đại học Cardiff và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết:

“Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp bằng chứng thuyết phục nhất từ trước đến nay về hiện tượng tiền tiến Lense–Thirring – nơi một hố đen kéo không – thời gian chuyển động cùng nó, tương tự như cách một con quay đang xoay có thể kéo nước tạo thành xoáy.”

Ông nhấn mạnh:

“Đây thực sự là một món quà cho giới vật lý, khi chúng tôi xác nhận được những dự đoán được đưa ra hơn 100 năm trước. Không chỉ vậy, các quan sát này còn giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về bản chất của các sự kiện TDE – khi một ngôi sao bị xé nát bởi lực hấp dẫn khủng khiếp của hố đen.”

Theo Inserra, không giống các TDE từng được nghiên cứu trước đây với tín hiệu vô tuyến ổn định, tín hiệu từ AT2020afhd lại cho thấy những biến đổi ngắn hạn mà không thể giải thích đơn thuần bằng năng lượng phát ra từ hố đen hay môi trường xung quanh. Điều này càng củng cố bằng chứng về hiệu ứng kéo khung và mở ra một phương pháp mới để thăm dò hố đen.

Các kính thiên văn đã phát hiện hiệu ứng này như thế nào

Để phát hiện tín hiệu kéo khung, nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu tia X từ Đài quan sát Neil Gehrels Swift của NASA và dữ liệu vô tuyến từ Mảng Kính thiên văn Rất Lớn Karl G. Jansky (VLA).

Họ cũng nghiên cứu thành phần và hành vi của vật chất xung quanh thông qua quang phổ điện từ, qua đó xác định cấu trúc, tính chất của vật chất và xác nhận quá trình vật lý nền tảng đang diễn ra.

Tiến sĩ Inserra giải thích:

“Khi chứng minh rằng một hố đen có thể kéo không – thời gian và tạo ra hiệu ứng kéo khung, chúng ta cũng bắt đầu hiểu rõ hơn cơ chế vận hành của hiện tượng này.”

“Tương tự như việc một vật mang điện khi quay sẽ tạo ra từ trường, chúng ta đang chứng kiến cách một vật thể khổng lồ đang quay – ở đây là hố đen – tạo ra một trường hấp dẫn–từ (gravitomagnetic field), ảnh hưởng đến chuyển động của các ngôi sao và các vật thể vũ trụ lân cận.”

Ông kết luận:

“Đây là lời nhắc nhở rằng, mỗi khi chúng ta ngước nhìn bầu trời đêm với sự kinh ngạc, vũ trụ vẫn còn vô số đối tượng phi thường đang chờ được khám phá – dưới mọi hình dạng và cách thức mà tự nhiên đã tạo ra.”